[發(fā)明專利]改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210536799.7
• 申請日: 2012-12-12
• 公開（公告）號: CN102952309A
• 公開（公告）日: 2013-03-06
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 唐濤;李明罡;聞新;劉杰
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所
• 主分類號: C08L23/00
• 分類號: C08L23/00;C08L23/06;C08L23/12;C08L63/00;C08L63/02;C08K7/06;C08K3/04;C08J5/04
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 趙青朵;李玉秋

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料及其制備方法。

背景技術(shù)

碳纖維是含碳量高于90%的無機(jī)高分子纖維，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料。隨著我國碳纖維產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料正以矯健的步伐邁向民用工業(yè)。碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料是一種高性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)材料，在交通工具和風(fēng)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的碳纖維增強(qiáng)樹脂復(fù)合材料主要以長纖維即連續(xù)纖維為增強(qiáng)體，以熱固性樹脂為基體材料。近年來，由于材料制備效率高、綜合性能好、制品成型和焊接及再加工工藝簡單且成本低等優(yōu)點(diǎn)，短切碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料如短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料，越來越受到廣泛地關(guān)注。隨著碳纖維回收技術(shù)的發(fā)展，更多碳纖維以短切纖維的形式被回收回來，這使得對短切碳纖維增強(qiáng)熱塑性樹脂復(fù)合材料的研究更加具有實(shí)際意義。但是，短切碳纖維往往比連續(xù)碳纖維的增強(qiáng)能力要遜色很多，主要是由于短切碳纖維不能形成連續(xù)的網(wǎng)絡(luò)，不能成為承載應(yīng)力的連續(xù)主體，應(yīng)力只由單個(gè)纖維來承擔(dān)，纖維極容易斷裂或從基體中被拔出。因此，如何改善短切碳纖維的增強(qiáng)能力仍然是需要解決的一個(gè)重要問題。

對于短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料，其在汽車工業(yè)中被認(rèn)為是可代替碳鋼的高性能輕質(zhì)新材料。但是，由于短切碳纖維的表面光滑，表面含氧基團(tuán)較少，而聚烯烴的分子鏈為非極性鏈，且缺少可反應(yīng)基團(tuán)，導(dǎo)致兩者界面作用較弱，難以在界面區(qū)域建立起有效的應(yīng)力傳遞，短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料的機(jī)械性能往往得不到有效提高。為了解決以上技術(shù)問題，授權(quán)公告號為CN100368471C的中國專利文獻(xiàn)公開了一種稀土改性碳纖維/聚丙烯復(fù)合材料的制備方法，該方法先將碳纖維浸入稀土改性劑中浸泡2~4小時(shí)，過濾后烘干；將處理后的碳纖維按重量百分比10%~20%同79%~89%的聚丙烯、1%~10%的二硫化鉬進(jìn)行機(jī)械共混，然后將混合粉料放入平板硫化機(jī)模具中成型，先將爐溫升溫至110℃，保持60分鐘，對預(yù)成型坯料進(jìn)行預(yù)塑，壓力控制在10MPa~14MPa，然后再以60℃/小時(shí)的速度升溫至190℃~220℃，保溫1小時(shí)，使模壓料成型，隨后采用隨爐降溫的方式降溫到80℃后將壓力去掉，將模壓成型后的復(fù)合材料連同模具一起去除，隨室溫冷卻，獲得稀土改性碳纖維/聚丙烯復(fù)合材料；所述稀土改性劑的組分重量百分比為：稀土化合物0.1%~2%，乙醇95%~99.7%，乙二胺四乙酸0.05%~0.5%，氯化銨0.1%~1%，硝酸0.02%~0.5%，尿素0.03%~1%；其中，所述的稀土化合物為氯化鑭、氯化鈰、氧化鑭或氧化鈰；所述的碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維，聚丙烯為均聚型聚丙烯或共聚型聚丙烯。

上述方法制得的復(fù)合材料具有良好的力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，但是，上述方法僅對短切碳纖維進(jìn)行單純表面處理，短切碳纖維具有不連續(xù)性，材料的應(yīng)力只能在短程范圍內(nèi)傳遞，使得材料的力學(xué)性能提高的幅度有限，仍有待進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決以上技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料及其制備方法，該方法制備的改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料具有較高的機(jī)械性能。

本發(fā)明提供一種改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料，由短切碳纖維聚烯烴混合物經(jīng)混煉或擠出造粒制得，所述短切碳纖維聚烯烴混合物包含：

20wt%~75wt%的聚烯烴；

7wt%~40wt%的短切碳纖維；

2wt%~20wt%的增容劑；

5wt%~20wt%的環(huán)氧樹脂；

0.2wt%~5wt%的固化劑。

本發(fā)明提供一種改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料的制備方法，包括以下步驟：

將20wt%~75wt%的聚烯烴、7wt%~40wt%的短切碳纖維、2wt%~20wt%的增容劑、5wt%~20wt%的環(huán)氧樹脂與0.2wt%~5wt%的固化劑進(jìn)行混煉或擠出造粒，得到改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料。

優(yōu)選的，所述混煉包括：

將所述聚烯烴和增容劑在160℃~200℃的條件下進(jìn)行共混，2分鐘~5分鐘后，得到第一共混物；

將所述第一共混物與所述環(huán)氧樹脂及短切碳纖維進(jìn)行共混，2分鐘~8分鐘后，得到第二共混物；

將所述第二共混物與所述固化劑進(jìn)行共混，2分鐘~8分鐘后，得到改性短切碳纖維增強(qiáng)聚烯烴復(fù)合材料。

優(yōu)選的，所述擠出造粒包括：

將所述聚烯烴、增容劑、短切碳纖維和環(huán)氧樹脂在80℃~120℃的條件下進(jìn)行混合，然后在160℃~210℃的條件下進(jìn)行擠出造粒，得到擠出顆粒；